CN110948105B - 一种静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具及搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具及搅拌摩擦焊接方法，涉及焊接设备领域。该静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其包括静轴肩和搅拌头，静轴肩具有中心孔，搅拌头的底部设置有搅拌针，静轴肩的轴线与搅拌针的轴线重合，搅拌针可旋转地设置于中心孔内；静轴肩的端面的至少一部分与搅拌头的轴线之间的夹角为钝角。该焊接工具能够保证在焊接过程中，既保证焊缝成形，又可避免搅拌头在非垂直扎入时承受额外弯矩，进而提高搅拌头使用寿命。而该焊接方法既可以利用倾斜的静轴肩对焊缝施加锻压力，保证焊缝良好成形，同时还可以避免搅拌针因倾斜而受到径向的弯矩，有效避免出现搅拌针发生弯曲变形的情况发生，整个焊接方法操作简单。

Description

一种静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具及搅拌摩擦焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接设备领域，具体而言，涉及一种静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具及搅拌摩擦焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊作为一种绿色固相连接技术，具有焊接效率高，接头质量好等特点，被广泛应用于航空、航天、轨道列等领域。在焊接过程中，搅拌高速旋转插入待焊工件内部，并沿着工件对接面行走，在摩擦热和搅拌作用下，搅拌头附近的材料发生塑化现象，依靠材料塑性流动进行填充，从而完成焊接。

对于常规搅拌摩擦焊，通常轴肩与搅拌针为一体设置并且共同旋转，对设备扭矩输出要求较高，同时摩擦产热大，焊缝软化及减薄明显。为解决上述问题，静轴肩搅拌摩擦焊被开发。静轴肩搅拌摩擦焊轴肩与搅拌针为分体设置，焊接时搅拌针旋转而轴肩不旋转，因此可降低焊接扭矩和焊接热输入。

对于两个对接的待焊工件的搅拌摩擦焊，通常搅拌针轴线与轴肩面垂直，焊接时需要使搅拌头轴线与待焊工件表面法线呈一定倾角，即轴肩平面与待焊工件表面存在夹角，这样可使轴肩在焊接前进方向对焊缝施加锻压力，保证焊缝良好成形。但采用现有技术的焊接方法，容易导致搅拌针承受弯矩发生弯曲变形，或与静轴肩发生干涉，甚至弯曲断裂。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其能有效避免搅拌头在非垂直扎入时承受额外的弯矩，进而提高搅拌头的使用寿命。

本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊接方法，在整个焊接过程中，搅拌头始终与待焊工件保持垂直，有效避免搅拌头在非垂直扎入时承受额外的弯矩，进而提高搅拌头的使用寿命。

本发明是这样实现的：

第一方面，实施例提供一种静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其包括静轴肩和搅拌头，所述静轴肩具有中心孔，所述搅拌头的底部设置有搅拌针，所述静轴肩的轴线与所述搅拌针的轴线重合，所述搅拌针可旋转地设置于所述中心孔内；所述静轴肩的端面的至少一部分与所述搅拌头的轴线之间的夹角为钝角。

在可选的实施方式中，所述静轴肩的端面包括前沿和后沿，所述后沿与所述搅拌头的轴线之间的夹角为钝角，所述前沿与所述搅拌头的轴线之间的夹角为直角或锐角。

在可选的实施方式中，所述后沿与所述搅拌头的轴线之间的夹角θ2＝90.5°-95°。

在可选的实施方式中，所述前沿与所述搅拌头的轴线之间的夹角θ1＝85°-90°。

在可选的实施方式中，所述前沿的最底端不低于所述后沿的最高端。

在可选的实施方式中，所述搅拌针可旋转地设置。

在可选的实施方式中，所述静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具还包括轴承和轴承套筒，所述搅拌头与所述轴承套筒通过所述轴承连接，所述静轴肩与所述轴承套筒固定连接。

在可选的实施方式中，所述静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具还包括轴承盖，所述轴承盖套设于所述搅拌头的外侧且盖设于所述轴承和所述轴承套筒的上表面，所述轴承盖与所述轴承套筒固定连接。

第二方面，实施例提供一种搅拌摩擦焊接方法，其采用如前述实施方式任一项所述的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具对待焊工件进行焊接，在焊接前，将所述搅拌针扎入所述待焊工件的焊接起始位置，扎入过程中所述搅拌头的轴线与所述待焊工件的上表面垂直，直至所述静轴肩的至少一个端面完全与所述待焊工件的表面接触并压入所述待焊工件后，开始将所述静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具沿着所述待焊工件的对接面前进以进行焊接，并保持所述搅拌头的轴线与所述待焊工件的上表面垂直，直至焊接完成。

在可选的实施方式中，所述静轴肩的端面包括前沿和后沿，在焊接过程中，所述后沿插入所述待焊工件与所述待焊工件的表面接触并压入所述待焊工件，所述前沿与所述待焊工件的上表面接触或不接触。

本发明具有以下有益效果：

本申请提供的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具通过将静轴肩的至少一个端面与搅拌头的轴向之间的夹角设计为钝角，使得在焊接过程中，可实现搅拌头垂直扎入待焊工件的表面，而静轴肩的至少一个端面仍然与待焊工件的表面保持一定的倾角，既保证焊缝成形，又可避免搅拌头在非垂直扎入时承受额外弯矩，进而提高搅拌头使用寿命。本申请提供的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具采用分体式设计，结构简单，操作容易，效果明显，能够提高搅拌头寿命同时，便于应用于复杂形状工件的焊接的静轴肩搅拌摩擦焊接工具，方便拆卸及焊后维护。而本申请提供的焊接方法保证了静轴肩与待焊工件表面存在夹角，而搅拌头始终垂直，既可以利用倾斜的静轴肩对焊缝施加锻压力，保证焊缝良好成形，同时还可以避免搅拌头的搅拌针因倾斜而受到径向的弯矩，从而有效避免出现搅拌针发生弯曲变形并与静轴肩发生干涉磨损，甚至直接导致搅拌针弯曲断裂的情况发生，整个焊接方法操作简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具的结构示意图；

图2为本申请提供的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具的静轴肩和搅拌轴配合的示意图；

图3为本申请提供的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具的焊接过程示意图。

图标：100-静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具；110-搅拌头；111-搅拌针；120-静轴肩；121-中心孔；122-前沿；123-后沿；130-轴承；140-轴承套筒；150-轴承盖；160-固定外筒；200-待焊工件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1，本申请提供了一种静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具100，其包括搅拌头110、静轴肩120、轴承130、轴承套筒140、轴承盖150和固定外筒160。

其中，搅拌头110用于与外部的焊接机连接，在焊接机的带动下进行转动，从而对待焊工件200进行焊接。本申请中，搅拌头110的下端设置有带螺纹的搅拌针111，搅拌针111的轴线与搅拌头110的轴线重合，通过带螺纹的搅拌针111能够实现在搅拌头110旋转过程中，焊接效果更佳。

本申请中，静轴肩120大致为圆锥状，其具有中心孔121，静轴肩120的轴线与搅拌头110和搅拌针111的轴线重合，搅拌针111与中心孔121为间隙配合，搅拌针111可旋转地设置于中心孔121内。本申请中，静轴肩120和搅拌头110分体设置，搅拌头110旋转时，静轴肩120不发生转动。

具体地，本申请中，搅拌头110的外侧套设有轴承130，轴承130与搅拌头110过盈配合，轴承130的外圈与轴承套筒140连接，轴承130的外圈也与轴承套筒140过盈配合，静轴肩120与轴承套筒140固定连接，通过轴承130和轴承套筒140的设置使得搅拌头110能够相对于静轴肩120进行旋转。进一步地，本申请的轴承盖150套设于搅拌头110的外侧且盖设于轴承130和轴承套筒140的上表面，轴承盖150与轴承套筒140固定连接。轴承盖150的设置能够使得轴承130、轴承套筒140以及搅拌头110形成一整体，配合度更佳。

此外，本申请中利用固定外筒160来固定外部的焊接机，具体来说，焊接机的转动轴带动搅拌头110进行转动，而固定外筒160不发生转动，且固定外筒160与轴承套筒140固定连接。

具体来说，在本申请中提及的固定连接，均可采用螺栓来实现。包括但不限于本申请中的：静轴肩120与轴承套筒140的固定连接、轴承盖150与轴承套筒140的固定连接以及固定外筒160与轴承套筒140的固定连接。

值得注意的是，在本领域的常规技术中，静轴肩120通常与搅拌头110的搅拌针111呈垂直状态，在焊接时，使搅拌头110轴线与待焊工件200表面法线呈一定倾角，即轴肩平面与待焊工件200表面存在夹角。经研究发现，由于静轴肩120搅拌摩擦焊产热低，材料抵抗力大，而搅拌针111又是搅拌头110的薄弱环节。搅拌摩擦焊初始的扎入阶段，当搅拌针111与待焊工件200表面非垂直接触时，会使搅拌针111径向承受一定的弯矩，导致其发生弯曲变形并与静轴肩120发生干涉磨损，甚至直接导致搅拌针111弯曲断裂。

而本申请中，将静轴肩120的端面的至少一部分设计为与搅拌头110的轴线之间的夹角为钝角。也即是，静轴肩120的端面与搅拌轴的轴线非垂直，这样可以实现在焊接过程中，搅拌头110的搅拌针111垂直扎入待焊工件200的表面，同时静轴肩120的端面依然与待焊工件200的表面保持一定的倾斜角，既保证焊缝成形，又可避免搅拌头110的搅拌针111在非垂直扎入时承受额外弯矩，进而提高搅拌头110使用寿命。本发明所提出的焊接工具采用分体式设计，结构简单，方便拆卸及焊后维护。

具体来说，请参阅图2，本申请中的静轴肩120的端面包括前沿122和后沿123，其中，本申请中定义“后沿123到前沿122的方向为搅拌头110焊接时的运动方向”，本申请中，后沿123与搅拌头110的轴线之间的夹角为钝角，前沿122与搅拌头110的轴线之间的夹角为直角或锐角。并且，本申请中前沿122的最底端不低于后沿123的最高端，这样的设计能够有效保证在后沿123完全扎入待焊工件200时，前沿122可以与待焊工件200不接触或刚好接触。本申请中，通过将后沿123设置为其与搅拌头110的搅拌针111的轴线之间的夹角为钝角，而前沿122与搅拌头110的搅拌针111的轴线之间的夹角设置为直角或锐角，这样可以使得搅拌针111在扎入待焊工件200的表面时，后沿123会与待焊工件200完全接触并插入待焊工件200内，而前沿122会与待焊工件200部分接触或者完全不接触，这样在搅拌头110沿着焊接方向运动时，后沿123插入待焊工件200内且与待焊工件200的上表面呈一定倾斜角，使得静轴肩120在焊接前进方向对焊缝进行施加锻压力，保证焊缝良好成形，此外，还能有效防止材料外溢。而本申请中，搅拌头110以及搅拌针111始终与待焊工件200的上表面保持垂直状态，这样能够有效避免搅拌针111的径向在焊接过程中承受弯矩，从而有效避免其发生弯曲变形并与静止的轴肩发生干涉磨损的情况发生，有效提高了搅拌针111的使用寿命。

进一步地，本申请中，后沿123与搅拌头110的轴线之间的夹角θ2＝90.5°-95°，前沿122与搅拌头110的轴线之间的夹角θ1＝85°-90°。经申请人研究发现，当前沿122和后沿123与搅拌头110的轴线之间的夹角在上述范围内时，后沿123插入待焊工件200的深度和角度适宜，焊接效果佳，此外，前沿122和后沿123的角度相差在10°以内，前沿122和后沿123结构差距不明显，稳定性更佳。

当本申请中针对的待焊工件200为两个水平设置且等高工件进行平面对接焊时，此时，静轴肩120的端面为一平面，前沿122与搅拌头110的轴线之间的夹角θ1与后沿123搅拌头110的轴线之间的夹角θ2之和为180°。应理解，在本申请的其他实施方式中，后沿123可以依据两个待焊工件200之间的形状相应的进行变化，后沿123可以进一步被拆分为多个面。此时，静轴肩120的端面的后沿123的一个多个面分别与搅拌头的轴线之间的夹角为钝角。

本申请提供的典型但非限制的实施例中，前沿122与搅拌头110的轴线的夹角θ1＝87.5°，后沿123与搅拌头110轴线夹角θ2＝92.5°。焊接过程中静轴肩120与待焊工件200紧密贴合，防止在焊接过程中材料溢出。

此外，请参阅图3，本申请还提供了一种搅拌摩擦焊接方法，其采用上述静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具100对待焊工件200进行焊接，在焊接前，将搅拌头110扎入待焊工件200的焊接起始位置，扎入过程中搅拌头110的轴线与待焊工件200的上表面垂直，直至静轴肩120的端面的至少一部分完全与待焊工件200的表面接触并压入待焊工件200后，开始将静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具100沿着待焊工件200的对接面前进以进行焊接，并保持搅拌头110的轴线与待焊工件200的上表面垂直，直至焊接完成。

具体来说，当静轴肩120的端面包括前沿122和后沿123时，在焊接过程中，后沿123插入待焊工件200与待焊工件200的表面接触并压入待焊工件200，前沿122与待焊工件200的上表面接触或不接触。

采用本申请的焊接方法可以使搅拌头110和搅拌针111的轴线始终与待焊工件200的表面垂直，无需进行倾斜操作，这样保证了静轴肩120与待焊工件200表面存在夹角，而搅拌头110和搅拌针111始终垂直，既可以利用倾斜的静轴肩120对焊缝施加锻压力，保证焊缝良好成形，同时还可以避免搅拌头110的搅拌针111因倾斜而受到径向的弯矩，从而有效避免出现搅拌针111发生弯曲变形并与静轴肩120发生干涉磨损，甚至直接导致搅拌针111弯曲断裂的情况发生。

综上所述，本申请提供的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具100通过将静轴肩120的端面的至少一部分与搅拌头110的轴向之间的夹角设计为钝角，使得在焊接过程中，可实现搅拌头110垂直扎入待焊工件200的表面，而静轴肩120的端面的至少一部分仍然与待焊工件200的表面保持一定的倾角，既保证焊缝成形，又可避免搅拌头110在非垂直扎入时承受额外弯矩，进而提高搅拌头110使用寿命。本申请提供的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具100采用分体式设计，结构简单，操作容易，效果明显，能够提高搅拌头110寿命同时，便于应用于复杂形状工件的焊接的静轴肩120搅拌摩擦焊接工具，方便拆卸及焊后维护。

而本申请提供的焊接方法保证了静轴肩120与待焊工件200表面存在夹角，而搅拌头110始终垂直，既可以利用倾斜的静轴肩120对焊缝施加锻压力，保证焊缝良好成形，同时还可以避免搅拌头110的搅拌针111因倾斜而受到径向的弯矩，从而有效避免出现搅拌针111发生弯曲变形并与静轴肩120发生干涉磨损，甚至直接导致搅拌针111弯曲断裂的情况发生，整个焊接方法操作简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，其包括静轴肩和搅拌头，所述静轴肩具有中心孔，所述搅拌头的底部设置有搅拌针，所述静轴肩的轴线与所述搅拌针的轴线重合，所述搅拌针可旋转地设置于所述中心孔内；所述静轴肩的端面的至少一部分与所述搅拌头的轴线之间的夹角为钝角；

所述静轴肩的端面包括前沿和后沿，所述后沿与所述搅拌头的轴线之间的夹角为钝角，所述前沿与所述搅拌头的轴线之间的夹角为直角或锐角；所述前沿的最底端不低于所述后沿的最高端。

2.根据权利要求1所述的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述后沿与所述搅拌头的轴线之间的夹角θ2＝90.5°-95°。

3.根据权利要求1所述的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述前沿与所述搅拌头的轴线之间的夹角θ1＝85°-90°。

4.根据权利要求1所述的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述搅拌针的表面具有螺纹。

5.根据权利要求1所述的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具还包括轴承和轴承套筒，所述搅拌头与所述轴承套筒通过所述轴承连接，所述静轴肩与所述轴承套筒固定连接。

6.根据权利要求5所述的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具还包括轴承盖，所述轴承盖套设于所述搅拌头的外侧且盖设于所述轴承和所述轴承套筒的上表面，所述轴承盖与所述轴承套筒固定连接。

7.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，其采用如权利要求1-6任一项所述的静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具对待焊工件进行焊接，在焊接前，将所述搅拌头扎入所述待焊工件的焊接起始位置，扎入过程中所述搅拌头的轴线与所述待焊工件的上表面垂直，直至所述静轴肩的至少一个端面完全与所述待焊工件的表面接触并压入所述待焊工件后，开始将所述静轴肩倾斜的搅拌摩擦焊接工具沿着所述待焊工件的对接面前进以进行焊接，并保持所述搅拌头的轴线与所述待焊工件的上表面垂直，直至焊接完成；

所述静轴肩的端面包括前沿和后沿，在焊接过程中，所述后沿插入所述待焊工件与所述待焊工件的表面接触并压入所述待焊工件，所述前沿与所述待焊工件的上表面接触或不接触。